非充气轮胎 |
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| 申请号 | CN201611114779.5 | 申请日 | 2016-12-07 | 公开(公告)号 | CN107053955A | 公开(公告)日 | 2017-08-18 |
| 申请人 | 固特异轮胎和橡胶公司; | 发明人 | A.B.西格尔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及非 充气轮胎 。被结构地 支撑 的轮胎包括 接触 地面的环形 胎面 部分、剪切带以及连接到所述剪切带的连接的 轮辐 盘。所述连接的轮辐盘具有被连接板联接在一起的两个或更多个周向轮辐，其中，所述连接的轮辐盘的弹性系数大于所述剪切带的弹性系数。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种被结构地支撑的非充气轮胎，其特征在于： |
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| 说明书全文 | 非充气轮胎技术领域[0001] 本发明总体涉及车辆轮胎和非充气轮胎，更具体地，涉及非充气轮胎。 背景技术[0002] 充气轮胎已作为车辆移动性的所选方案超过一个世纪。充气轮胎是张力结构。充气轮胎具有至少四个特征使得充气轮胎在今天如此占优势。充气轮胎可以有效地承载负载，因为所有轮胎结构都参与承载负载。充气轮胎也是期望的，因为它们具有低接触压力，因而由于车辆负载的分布而降低路上的磨损。充气轮胎还具有低刚度，这确保舒适地乘车。充气轮胎的主要缺点是它需要压缩流体。常规充气轮胎在完全失去充气压力之后变得无用。 [0003] 被设计成在没有充气压力的情况下操作的轮胎可消除与充气轮胎相关的许多问题和损害。既不需要保持压力也不需要监控压力。被结构地支撑的轮胎，诸如实心轮胎或其他弹性体结构，到目前为止尚未提供常规充气轮胎所要求的性能水平。实现类似充气轮胎的性能的被结构地支撑的轮胎方案将是期望的改进。 [0004] 非充气轮胎通常由它们的负载承载效率限定。“底部承载装置（bottom loaders）”是在轮毂下面的结构部分中承载大部分负载的基本刚性结构。“顶部承载装置（top loaders）”被设计成使得整个结构都参与承载负载。因此顶部承载装置具有比底部承载装置高的负载承载效率，允许具有更小质量的设计。 [0005] 因此，期望的是改进的非充气轮胎,该改进的非充气轮胎期望具有充气轮胎的所有特征但不具有需要空气充气的缺点。 发明内容[0006] 本发明包括如下技术方案：1. 一种被结构地支撑的非充气轮胎，包括： 接触地面的环形胎面部分； 剪切带； 连接到所述剪切带的连接的轮辐盘，其中，所述连接的轮辐盘具有被连接板联接在一起的两个或更多个周向轮辐，其中，所述连接的轮辐盘的弹性系数大于所述剪切带的弹性系数。 [0007] 2. 如技术方案1所述的被结构地支撑的非充气轮胎，其中，所述轮辐具有的轴向厚度小于所述轮辐盘的轴向厚度。 [0008] 3. 如技术方案1所述的被结构地支撑的非充气轮胎，其中，所述轮辐的轴向厚度小于所述轮辐的宽度。 [0009] 4. 如技术方案4所述的被结构地支撑的非充气轮胎，其中，所述周向轮辐具有相同的弹性常数。 [0010] 5. 如技术方案1所述的非充气轮胎，其中，所述连接的周向轮辐是不具有孔的实心环形盘。 [0011] 6. 如技术方案1所述的非充气轮胎，其中，所述连接的周向轮辐是具有一个或多个孔的实心环形盘。 [0012] 7. 如技术方案6所述的非充气轮胎，其中，所述连接的周向轮辐具有多个孔，所述多个孔被布置在沿径向定向的排中。 [0013] 8. 如技术方案1所述的非充气轮胎，其中，所述连接的周向轮辐具有多个径向地定向的轮辐。 [0014] 9. 如技术方案1所述的非充气轮胎，其中，所述连接的轮辐相对于轴向方向以在60-80度范围内的角α成角度。 [0015] 10. 如技术方案1所述的非充气轮胎，其中，每个轮辐的宽度W与轴向厚度t的比率W/t在15至80的范围内。 [0016] 11. 如技术方案1所述的非充气轮胎，其中，每个轮辐的高度H与轴向厚度t的比率在约2.5至25的范围内。 [0017] 12. 如技术方案1所述的非充气轮胎，其中，所述轮辐的径向外端轴向地偏离所述轮辐的径向内端。 [0018] 13. 如技术方案1所述的非充气轮胎，其中，所述轮辐从所述径向外端向所述径向内端弯曲。 [0019] 14. 如技术方案1所述的非充气轮胎，其中，所述轮辐在负载下沿轴向方向弯屈。 [0020] 15. 如技术方案1所述的非充气轮胎，其中，所述连接的轮辐盘的轮辐具有矩形剖面。 [0021] 16. 如技术方案1所述的非充气轮胎，其中，所述连接的轮辐盘的弹性系数在所述剪切带的弹性系数的4至12倍的范围内。 [0022] 17. 一种非充气轮胎，包括：接触地面的环形胎面部分； 剪切带； 连接到所述剪切带的至少一个轮辐盘，其中，所述轮辐盘具有被连接板联接在一起的两个或更多个轮辐，其中，所述每个周向轮辐具有宽度W和轴向厚度t，其中，W/t的比率在15至80之间的范围内。 [0023] 18. 如技术方案17所述的非充气轮胎，其中，所述轮辐具有矩形剖面。 [0024] 19. 如技术方案17所述的非充气轮胎，其中，所述轮辐具有沿径向方向延伸的多个径向构件。 [0025] 20. 如技术方案17所述的非充气轮胎，其中，所述连接的轮辐盘的弹性系数大于所述剪切带的弹性系数。 [0026] 21. 如技术方案17所述的被结构地支撑的非充气轮胎，其中，W/t的比率在30至60之间的范围内。 [0027] 22. 如技术方案17所述的被结构地支撑的非充气轮胎，其中，所述连接的轮辐盘的弹性系数在所述剪切带的弹性系数的4至12倍的范围内。 [0028] 23. 如技术方案1或17所述的被结构地支撑的非充气轮胎，其中，具有多个轮辐盘，并且其中，所述连接的轮辐盘的弹性系数大于所述剪切带的弹性系数。 [0030] 通过参照以下描述和附图，将更好地理解本发明，在附图中：图1是本发明的非充气轮胎的第一实施例的立体图； 图2是本发明的轮辐盘的前视图； 图3是沿方向3-3截取的图1的连接的轮辐盘的剖视图； 图4是图2的仅轮辐盘的立体剖视图； 图5是图1的非充气轮胎的剖视图； 图6是被示出为处于负载状态的图1的非充气轮胎的剖视图； 图7是本发明的轮辐的替代性实施例； 图8是本发明的轮辐的替代性实施例； 图9a图示剪切带或轮辐盘的弹性系数测试，而图9b图示根据力位移曲线的斜率确定的弹性系数k； 图10a图示轮胎的弹性系数测试，而图10b图示根据力位移曲线的斜率确定的弹性系数k； 图11a示出了进行张力测试的测试样本上的张力方向； 图11b是进行张力测试的测试样本的示意图；以及 图12是剪切刚度GA计算的示意图。 具体实施方式[0032] “赤道面”表示垂直于穿过轮胎中心线的轮胎旋转轴线的平面。 [0034] “滞后（hysteresis）”表示在10%动态剪应变和25℃下测量的动态损失正切（loss tangent）。 [0035] 图1示出本发明的非充气轮胎100。本发明的轮胎包括径向向外与地面接合的胎面200、剪切带300（shear band）和轮辐盘（spoke disk）400。本发明的非充气轮胎被设计成顶部负载结构，从而使得剪切带300和连接的轮辐盘400有效地承载负载。剪切带300和连接的轮辐盘400被设计成使得剪切带的刚度与轮胎的弹性系数直接相关。轮辐盘被设计成刚性结构以在轮胎印迹中屈曲或变形并且不压缩或不承载压缩的负载。这允许未处于印迹区域中的其余轮辐能够承载负载。由于在印迹外的轮辐多于在印迹内的轮辐，因此每个轮辐的负载将较小，使得更小的轮辐能够承载轮胎负载，带来负载效率很高的结构。并非所有轮辐都将能够弹性地屈曲并且在保持在印迹中的压缩的负载的一部分。由于以上原因，期望的是最小化此种负荷，并且允许剪切带弯曲以克服路面障碍。大致的负载分布是使得大致90- 100%的负载由剪切带和上轮辐承载，从而使得下轮辐事实上不承载负载，优选承载小于10%的负载。 [0036] 胎面部分200可不具有花纹沟或者可具有在其间形成基本纵向的胎面花纹条的多个纵向定向的胎面花纹沟。花纹条可沿横向或纵向被进一步划分，以形成适合特定车辆应用的使用要求的胎面图案。胎面花纹沟可具有与轮胎的计划用途相一致的任何深度。轮胎胎面200可根据需要包括诸如花纹条、花纹块、凸纹（lugs）、花纹沟和槽纹（sipes），以改进各种情况下轮胎的性能。 [0037] 剪切带剪切带300优选是环形的，并且在图5中示出。剪切带300位于轮胎胎面200的径向内部。 剪切带300包括第一和第二加强弹性体层310、320。在剪切带300的第一实施例中，剪切带包含平行地布置的两个不可延伸的加强层310、320，并且该两个不可延伸的加强层310、320被弹性体制成的剪切基体（shear matrix）330分开。每个不可延伸层310、320可由被嵌入弹性体涂层中的平行的不可延伸的加强帘线311、321形成。加强帘线311、321可以是钢、芳族聚酰胺、尼龙、聚酯或其他不可延伸结构。剪切带300还可以可选地包括位于第一和第二加强弹性体层310、320之间的第三加强弹性体层340。 [0038] 在第一加强弹性体层310中，加强帘线311相对于轮胎赤道面以在0至约+/-10度范围内的角Φ定向。在第二加强弹性体层320中，加强帘线321相对于轮胎赤道面以在0至约+/-10度范围内的角 定向。优选地，第一层的角Φ沿与第二层中的加强帘线的角 在相反的方向。就是说，第一加强弹性体层中的角+Φ和第二加强弹性体层中的角- 。 [0039] 剪切基体330具有在约0.10英寸至约0.2英寸范围内的径向厚度，更优选地约0.15英寸的径向厚度。剪切基体优选由剪切模量Gm在2.5至40MPa的范围的弹性体材料，并且更优选地在20至40MPa范围内的弹性体材料形成。 [0040] 剪切带具有剪切刚度（shear stiffness）GA。剪切刚度GA的确定可通过测量从剪切带取得的代表性测试样本上的挠曲（deflection）。测试样本的上表面经历横向力F，如图12所示。然后根据以下公式计算剪切刚度GA：GA=F*L/ΔX。 [0041] 剪切带具有弯曲刚度EI。弯曲刚度EI可就剪切带的代表性测试样本根据梁力学（beam mechanics）利用三点弯曲测试确定。该测试代表梁置于两个辊支撑件上并且经历被应用于梁中间的集中负载的情形。弯曲刚度EI根据以下公式确定：EI = PL3/48* ΔX，其中，P是负载，L是梁长度，并且ΔX是挠曲。 [0042] 期望的是最大化剪切带的弯曲刚度EI并最小化剪切带刚度GA。可接受的GA/EI比率将在0.01和20之间，优选范围在0.01和5之间。EA是剪切带的可延伸刚度（extensible stiffness），并且通过应用张力并测量长度改变来实验地确定。剪切带的EA与EI的比率的可接受范围为0.02至100，优选为1至50。 [0043] 剪切带300具有弹性系数k，通过向在剪切带顶部的水平板施加向下力并测量，如图9a所示的挠曲量来实验地确定弹性系数k。根据力-挠曲曲线的斜率确定弹性系数k，如图9b所示。 [0044] 本发明不限于本文公开的剪切带结构，并且可包括具有在0.01至20范围内d GA/EI、或在0.02至100范围内的EA/EI比率、或在20至2000范围内的弹性系数的及其任何组合的任何结构。更优选地，剪切带具有0.01至5的GA/EI比率、或1至50的EA/EI比率、或170磅/英寸的弹性系数、及其任何子组合。轮胎胎面优选地被剪切带缠绕，并且优选地被一体模制到该剪切带。 [0045] 连接的轮辐盘本发明的非充气轮胎还包括一个连接的轮辐盘400，如图1、9、10所示。该连接的轮辐盘 400用于承载从剪切层传递的负载。连接的轮辐盘主要被负载以张力和剪力，并且不承载压缩负载。如图4所示，连接的轮辐盘400是环形的，并且具有外径向边缘406和内径向边缘403用于接收金属或刚性加强环405以形成轮毂。连接的轮辐盘400具有轴向厚度AW，该轴向厚度AW优选地与非充气轮胎的宽度相同。每个轮辐盘400具有两个或更多个周向轮辐412。周向轮辐412在其外径处被上连接板414联接在一起。周向轮辐412在其内径处被下连接板416联接在一起。每个周向轮辐412具有显著小于非充气轮胎的轴向厚度AW的轴向厚度t。下面更详细地描述轴向厚度t。 [0046] 然后连接的轮辐盘400具有弹性系数SR，弹性系数SR可通过测量在已知负载下的挠曲来实验地确定，如图9a所示。一种确定轮辐盘弹性系数k的方法是将轮辐盘安装到轮毂，并且将轮辐盘的外环附接到刚性测试固定装置。向轮毂应用向下力，并记录轮毂的位移。根据如图9b所示的力挠曲曲线的斜率确定弹性系数k。优选地，连接的轮辐盘的弹性系数大于剪切带的弹性系数。优选地，连接的轮辐盘的弹性系数在剪切带的弹性系数的4至12倍的范围内，更优选地是剪切带的弹性系数的6至10倍的范围内。可通过增加轮辐盘的周向叶片的数量调节非充气轮胎的弹性系数。替代地，通过改变轮辐盘的几何形状或改变材料,每个轮辐盘的弹性系数可不同。 [0047] 轮辐如图2所示，每个周向轮辐412具有沿径向方向延伸的径向构件410。 [0048] 每个周向轮辐被设计成沿轴向方向凸出或变形，从而使得当非充气轮胎处于负载下时，每个周向轮辐轴向地变形或弯曲，如图5所示。每个轮辐盘可被定向成使得在盘一侧上的周向轮辐沿第一方向变形，而在盘相反侧上的轮辐盘沿相反方向凸出或变形，如图6所示。替代地，所有周向轮辐可被定向成使得每个周向轮辐沿相同方向轴向向外凸出。当非充气轮胎被负载时，每个周向轮辐在通过印痕时将变形或轴向地弯屈（bow）而基本没有压缩阻力，向载承供应零或很小的压缩力。连接的轮辐盘的主要负载是通过张力和剪力，而非压缩。 [0049] 如图2所示，每个周向轮辐的径向构件410具有矩形剖面，但是不限于矩形剖面，并且可以是圆形、正方形、椭圆形等。优选地，径向构件410的剖面几何形状被选择用于纵向屈曲，并且具有的轮辐宽度W与轮辐轴向厚度的比率W/t优选在约15至约80的范围内，更优选地在约30至约60的范围内，并且最优选地在约45至约55的范围内。优选的矩形轮辐设计的独特方面在于轮辐承载剪切负载的能力，这允许弹性刚度散布在处于张力负载和剪力负载的轮辐之间。提供剪切刚度的这种几何能力是轮辐厚度t和轮辐径向高度H之间的比率。优选的H/t比率在约2.5至25（约表示+/-10%）的范围内，更优选地在在约10至20（约表示+/-10%）的范围内，并且最优选地在12-17的范围内。 [0050] 外周向轮辐410优选在径向平面中以角α成角度，如图3所示。角α优选在60至88度的范围内，更优选地在70至85度的范围内。此外，径向外端415轴向地偏离轮辐410的径向内端413，以促进轮辐沿轴向方向弯屈或变形。替代地，轮辐412可如所示地弯曲。 [0051] 图7是连接的轮辐盘的替代性实施例700。轮辐盘是环形的，并且主要是实心的，具有多个孔702。孔可被布置为在沿径向方向定向的排中。 [0052] 图8是连接的轮辐盘的替代性实施例800。轮辐盘是环形实心的，没有孔。连接的轮辐盘700、800的剖面与图3相同。连接的轮辐盘700、800具有与图3中所示相同的厚度、轴向宽度。 [0053] 连接的轮辐盘优选由弹性体材料形成，更优选地由热塑性弹性体形成。基于以下材料特性中的一个或多个选择连接的轮辐盘的材料。利用ISO 527-1/-2标准测试方法，盘材料的张力（杨氏）模量优选在45MPa至650MPa的范围内，更优选地在85MPa至300MPa的范围内。玻璃转化温度小于-25摄氏度，更优选地小于-35摄氏度。所得断裂屈服应变大于30%，并且更优选地大于40%。断裂伸长率大于或等于断裂屈服应变，更优选地是断裂屈服应变的200%。热挠曲温度在0.45MPa下大于40摄氏度，更优选地在0.45MPa下大于50摄氏度。在23摄氏度利用ISO 179/ISO180进行的Izod和Charpy缺口测试未产生断裂。两种合适的盘材料可通过DSM Products商购并且以商品名ARNITEL PM 420和ARNITEL Pl461销售。 |
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